Indice
1.
Análisis de redes de dos puertos
2. Aplicaciones de los amplificadores
con transistores
3. Acoplamiento de
amplificadores
4. Divisor de fase
1. Análisis de redes de dos
puertos
Fórmula de ganancia de impedancia
Se deriva una relación importante entre las cantidades de
ca de ganancia de tensión, Av, y de ganancia de
corriente, Ai.
La formula de tensión se define como
y la ganancia de corriente como
La ecuación (3.1) se llama formula de ganancia de
impedancia y se utiliza a lo largo de este texto.
Parámetros híbridos
En un sistema de cuatro
terminales existen cuatro variables de
circuito: la tensión y la corriente de entrada, y la
tensión y corriente de salida. Estas cuatro variables se
pueden relacionar por medio de algunas ecuaciones,
dependiendo de cuales variables se consideren independientes y
cuales dependientes.
El par de ecuaciones de
parámetros híbridos (parámetros h) (y su
circuito equivalente) se utiliza a menudo para análisis de circuitos con
BJT.
Cuando se utilizan los parámetros h para
describir una red de
transistores,
el par de ecuaciones se escribe como sigue:
Donde los parámetros h se definen como:
hi = h11 = resistencia de
entrada del transistor
hr = h12 = ganancia de tensión
inversa del transistor
hf = h21 = ganancia directa de corriente
del transistor
h0 = h22 = conductancia de salida del
transistor
Cuando los parámetros h se aplican a redes de transistores, toman
un significado práctico en relación con el desempeño del transistor.
Cuando los parámetros de entrada y de salida se igualan en
forma individual a cero, cada parámetro híbrido
representa ya sea
una resistencia, una
conductancia , una razón de dos tensiones o una
razón de dos corrientes.
Es muy útil cd contar con
alguna forma de distinguir entre las tres configuraciones, es
decir, EC, CC y BC. Se añade un segundo subíndice a
cada parámetro híbrido para proporcionar esta
distinción. Por ejemplo, un circuito en EC suele tener
hi en el circuito de base, y se cambia a
hie. De manera similar para BC, hi se
cambia por hib, y para CC, se cambia a hic.
Los tres valores se
relacionan entre sí como sigue
El valor real de
es función
del punto de operación (ICQ) del transistor es. En
la porción plana de la curva de iC contra
vCE con iB constante, el cambio en
es pequeño. Conforme el transistor se aproxima a
la saturación, empieza a caer. A medida que el
transistor se aproxima a corte, también se
aproxima a cero.
Resistencia de entrada en cortocircuito
Se explora el valor de los
parámetros antes de abordar la utilización de los
circuitos
equivalentes para el diseño
y análisis. Primero se desarrollan las ecuaciones para
hie y hib, que muestran la dependencia de
estos parámetros respecto a la ubicación del punto
de operación.
La ecuación anterior es útil para estimar
el valor de hib.
Parámetros en EC
Las ecuaciones que definen los parámetros de
amplificación en ca se resumen en la tabla 3.1 y se
derivan en las siguientes secciones. Obsérvese que la
tabla proporciona dos ecuaciones de definición para cada
parámetro. Estas se denominan como forma larga y forma
corta. La ecuación en forma corta es una versión
simplificada de la ecuación en forma larga y se deriva
haciendo suposiciones acerca de los tamaños relativos de
algunos de los parámetros. Se anotan suposiciones
necesarias conforme se deriva cada ecuación; las
suposiciones se encuentran en la tabla.
Resistencia de entrada, Ren
Se utiliza el
circuito de parámetros híbridos para derivar la
ecuación de la resistencia de entrada para cada tipo de
configuración del amplificador. En circuito equivalente de
la figura 3.5 (b) se utiliza para derivar la resistencia de
entrada, Ren. En general, b es bastante grande para aproximar 1
+ b como
b . La corriente en
RE es, por tanto, aproximadamente igual a
b
ib.
(3.10)
Si RB es despreciable comparada con
b RE, la
ecuación (3.10) se puede simplificar más hacia la
forma.
Ganancia de tensión, Av
La relación
de división de corriente aplicada a la salida de la figura
3.5(b) da
El signo negativo resulta de la dirección opuesta de b ib con respecto a
iL. Entonces
(3.12)
Ganancia de corriente, Ai
La ganancia de
corriente se encuentra a partir de la formula de ganancia de
impedancia, ecuación (3.1).
Resistencia de salida, R0
La fuente de
corriente ideal exhibe una impedancia infinita, ya que se mide la
resistencia de salida como la entrada en circuito abierto (es
decir, ib = 0). La resistencia de salida para el
transistor EC es entonces
Por lo general, el parámetro hoe es
bastante pequeño como para ser despreciado en los
cálculos, de modo que la magnitud de la resistencia de
salida del transistor se vuelve infinita.
Alinealidades de los BJT
En la sección 2.4.2 se vio que un transistor opera en
forma lineal excepto en las regiones de corte y
saturación. La operación en estas regiones o cerca
de ellas provoca una reproducción distorsionada de la
señal de entrada. Por tanto, se deben evitar las regiones
sombreadas.
Parámetros para el amplificador CC (ES)
Resistencia de entrada, Ren
El circuito ES
(emisor-seguidor) se muestra en la
figura 3.10. Como antes, C1 y C2 se
consideran cortocircuitos para frecuencias medias.
Ren = RB
Ganancia de tensión, Av
La ganancia
de tensión esta dada por
Si hib es pequeña comparada con
RE ç
ç RL,
como es común, se obtiene la expresión en forma
corta
Av = 1
Ganancia de corriente, Ai
Como
Ai = RB/RL
Resistencia de salida, R0
La resistencia
de salida depende de los parámetros de entrada
Rs y RB, a diferencia del resultado para el
amplificador EC, donde R0 depende solo de
RC.
Parámetros para el amplificador BC
El circuito BC se dibuja a menudo con orientación
horizontal, como se ve en la figura 3.12(a). Sin embargo, el
circuito es más fácil de entender cuando se dibuja
como la figura 3.12(b). De esta configuración, es
fácil ver que la polarización es idéntica a
la del amplificador EC.
Resistencia de entrada, Ren
La
ecuación en forma larga para Ren se deriva en
seguida. La corriente en Ren es ien +
(1+b
)ib.
(3.25)
La ecuación en forma corta se obtiene suponiendo
que hib << RE y RB
<< b
RE. Entonces
Ren = hib +
RB/b
(3.26)
Ganancia de corriente, Ai
La ganancia de
corriente para el circuito de la figura 3.13 se encuentra de la
siguiente forma:
(3.27)
Entonces, si RB << b RE y hib
<< RE, se obtiene la expresión en forma
corta de la ecuación (3.28)
Ganancia de tensión, Av
La formula
de ganancia de impedancia de la ecuación (3.1) se utiliza
para encontrar Av. Se usan Ai de la
ecuación (3.27) y Ren de la ecuación
(3.25) para obtener la expresión en forma larga de la
ecuación
No se puede simplificar más la ecuación (3.29) ya
que hib es aproximadamente igual a
RB/b
. Si se añade un capacitor de paso entre base y
tierra,
RB/b
se elimina de la ecuación (3.29) y la
expresión se simplifica a
Resistencia de salida, R0
Como en el caso
del amplificador EC, el generador de corriente
dependiente, b
ib, presenta una resistencia elevada por
tanto,
R0 = RC
2. Aplicaciones de los
amplificadores con transistores
Se ha encontrado que el amplificador EC posee ganancias
de tensión y de corriente significativas con altas
impedancia de entrada y salida. La impedancia de entrada alta es
deseable, mientras que la impedancia de salida alta tiene algunos
problemas.
Notése que a mayor impedancia de salida, menor es la
corriente que se puede extraer del amplificador sin que haya una
caída significativa en la tensión de salida. En ese
se utiliza más para amplificación de
tensión. Puede proporcionar una exclusión grande en
la tensión de salida, que se convierte en la entrada de la
siguiente etapa del sistema
El amplificador ES (CC) proporciona ganancia de
corriente alta con impedancia de salida baja. Se puede utilizar
como una especie de compuerta de potencia entre un
EC y una carga que demandante corriente. El CC es un amplificador
de potencia y
también una etapa de acoplamiento de impedancia. Este
amplificador se encuentra normalmente en la etapa final de salida
de un amplificador de señal, pues no sólo baja el
valor de la impedancia sino que proporciona la potencia necesaria
para excitar la carga.
El amplificador BC tiene una impedancia de entrada baja
y una impedancia de salida relativamente alta. El BC se pueden
utilizar como amplificador de tensión. Este amplificador
es menos sensible a la frecuencia que los otros tipos de
amplificador, y se utiliza a menudo entre circuitos
integrados para proporcionar una salida con intervalo amplio
de frecuencia.
3. Acoplamiento de
amplificadores
Cuando un sistema está compuesto por más
de una etapa de transistores, es necesario conectar, o acoplar,
los transistores entre sí. Existen muchas formas comunes
de lograr esta interpretación entre amplificadores. En las
siguientes secciones se analizan los acoplamientos directo,
capacitivo, por transformador y óptico.
Acoplamiento directo
Dos amplificadores están acoplar es directamente si la
salida del primer amplificador se conecta en forma directa a la
entrada del segundo sin utilizar capacitores.
La salida en ca de la primera etapa está superpuesta con
el nivel de cd
estático de la segunda etapa. El nivel de cd de la salida
de la etapa anterior se suma al nivel de cd de
polarización de la segunda etapa. Para compensar los
cambios en los niveles de polarización, en amplificador
utiliza diferentes valores de
fuentes de
tensión de cd en lugar de una fuente de Vcc
sencilla.
El acoplamiento directo se pueden utilizar de manera
efectiva al acoplar en amplificador EC a uno ES. El amplificador
acoplado directamente tiene una buena respuesta en frecuencias
pues no existen elementos de almacenamiento en
serie (es decir, sensibles a la frecuencia) que afecten la
señal de salida en baja frecuencia.
Acoplamiento capacitivo
Constituye la forma más simple y efectiva de desacoplar
los efectos del nivel de cd de la primera etapa amplificador, de
aquellos de la segunda etapa. En capacitor separa el componente
de cd de la señal de ca. Por tanto, la etapa anterior no
afecta la polarización de la siguiente. Para asegurar que
la señal no cambie de manera significativa por la
adición de un capacitor, es necesario que esté se
comporte como cortocircuito para todas las frecuencias a
amplificar.
Acoplamiento por transformador
Se puede utilizar un transformador para acoplar dos etapas del
amplificador. Este tipo de acoplamiento se utiliza a menudo
cuando se amplifican señales de alta frecuencia. Los
transformaciones son más costosos que los capacitores,
aunque sus ventajas pueden justificar el costo adicional.
A través de una elección adecuada de la
razón de vueltas, se puede utilizar un transformador para
aumentar ya sea la ganancia de tensión o bien la de
corriente fondo. Por ejemplo, encina etapa de salida de el
amplificador vez potencia, en transformador se utiliza para
aumentar la ganancia de corriente. Existen otros beneficios
asociados con el uso de un transformador. Por ejemplo, el
transformador se puede sintonizar para resonar de manera que se
convierta en un filtro pasa-banda (filtro que pasa las
frecuencias deseadas y atenúa las frecuencias que quedan
fuera de la banda requerida).
Acoplamiento óptico
Muchas aplicaciones requieren el acoplamiento óptico de
circuitos electrónicos. Estas aplicaciones se pueden
clasificar como sigue:
– dispositivos sensibles a la luz y emisores de
luz.
– detectores y emisores discretos para sistemas de
fibra
óptica.
– módulos interruptor/ reflector que detectan objetos que
modifican la trayectoria de la luz.
– aisladores /acopladores que transmiten señales
eléctricas sin conexiones eléctricas.
El divisor de fase, mostrado en la figura 3.22, es un
amplificador que simultáneamente es EC y sesenta. Se
eligen Rc = RE = RL tal y la tensión
de salida en el colector tenga igual magnitud que la
tensión de salida en emisor, pero estas tensiones se
hallan 180°
fuera de fase. Las dos señales de salida de este
circuito son aproximadamente iguales en amplitud a la
señal de entrada: esto está, las razones de
ganancia de tensión son aproximadamente iguales a uno, en
magnitud. Las dos salidas resultantes de una entrada sonoridad se
muestra en la
figura. En el emisor, la salida está en fase con la
señal de entrada, mientras que la salida de colector
estaciones 180°
fuera de fase con la señal de entrada.
Análisis del amplificador multietapa
A menudo los amplificadores se conectan en serie (cascada), como
se muestra en la figura 3.23. La carga en el primer amplificador
es la resistencia de entrada del segundo amplificador. No es
necesario que las diferentes etapas tengan las mismas ganancias
que tensión y de corriente. En la práctica, las
etapas iniciales suelen ser amplificadores de tensión y la
última o las dos últimas son amplificadores de
corriente. La ganancia en una etapa se determina por la carga de
ésta, que se gobierna por la resistencia de entrada de la
siguiente etapa. Por tanto, cuando se diseñan o analizan
amplificadores multietapa, se inicia en la salida y se
continúa hacia la entrada.
Dispositivos de cuatro capas
Se han analizado dispositivos de dos capas (diodo) y de tres
capas (transistores). El éxito
de los dispositivos de tres capas, como el BJT y el transistor de
efecto de campo (FET, field-effect transistor) condujo a los
investigadores al concepto del
dispositivo de cuatro capas. Con la capacidad de manufactura
aumentada, los dispositivos de cuatro capas no presentan mayores
problemas de
fabricación.
Rectificador controlado de silicio (SCR)
El rectificador controlado de silicio (SCR, silicon-controlled
rectifier) es un dispositivo de cuatro capas (pnpn) con características de conmutación muy
utilies. Se trata de un miembro de la familia de
tiristores y se utiliza en controles de relevadores,
calentamiento por inducción, limpieza ultrasónica y
circuitos de control. Los SCR
se pueden construir para control de
potencia en la región de megawatts y soportan corrientes
hasta de 1500 A a 2000 V. Los intervalos de frecuencia
están un poco limitados, pero algunos SCR son capaces de
trabajar a frecuencias de hasta 50 kHz.
Conmutador controlado de silicio (SCS)
El conmutador controlado de silicio (SCS silicon-controlled
switch) se
construye en forma similar al SCR excepto que ambas capas
centrales se conectan a compuertas; una se denomina compuerta de
ánodo y la otra, compuerta de cátodo.
DIAC y TRIAC
El DIAC, o diodo de disparo, es un dispositivo de dos terminales
que se puede disparar en cualquier dirección. El dispositivo opera en la
región inversa y la ruptura se produce en cualquier
dirección cuando la tensión aumenta hasta el nivel
necesario. Estos dispositivos se utilizan a menudo en el circuito
de compuerta de un SCR para empezar la acción de
compuerta.
El TRIAC es similar al DIAC excepto que tiene una terminal de
compuerta para controlar el encendido para cualquier polaridad de
tensión entre los dos ánodos.
Autor:
Alberto Guillermo Lozano Romero